Fizyk jądrowy, który uśmiercił dinozaury – Luis Alvarez

“Nie lubię mówić złych rzeczy o pale­on­to­lo­gach, ale nie są oni dobrymi naukow­cami. Są bardziej jak kolek­cjo­ne­rzy znaczków.”

Ojczyzna wzywa Alvareza

Zanim przej­dziemy do tego jak fizyk jądrowy wszedł w buty pale­on­to­lo­gów i roz­wi­kłał zagadkę smutnego końca dino­zau­rów, przyj­rzyjmy się bliżej jego intry­gu­ją­cej sylwetce. W tym celu pro­po­nuję prze­nieść się do Stanów Zjed­no­czo­nych z przełomu lat 30. i 40. ubie­głego stulecia. Jak powszech­nie wiadomo, atak na Pearl Harbor pchnął Waszyng­ton do gigan­tycz­nej mobi­li­za­cji obej­mu­ją­cej armię, cywilów, przemysł, kulturę i naukę. Każdy kto mógł w jaki­kol­wiek sposób wesprzeć wysiłek wojenny, kie­ro­wany był do odpo­wied­nich zadań. Nie inaczej przed­sta­wiała się sytuacja młodego Luisa Alvareza. Jako świeżo upie­czony absol­went nie potrafił znaleźć dla siebie miejsca, lecz osta­tecz­nie, jeszcze przed wybuchem kon­fliktu, wylą­do­wał na kali­for­nij­skim Uni­wer­sy­te­cie w Berkeley. Praw­do­po­dob­nie pomogła mu w tym starsza siostra Gladys, pra­cu­jąca jako asy­stentka pro­fe­sora Ernesta Lawrence’a. Alvarez miał wyjąt­kowe szczę­ście tra­fia­jąc pod skrzydła Lawrence’a, już wtedy cie­szą­cego się sławą praw­dzi­wego guru fizyków eks­pe­ry­men­tal­nych. Jeśli o nim nie sły­sza­łeś, to powi­nie­neś wiedzieć, że właśnie Lawrence’owi zawdzię­czamy obmy­śle­nie kon­struk­cji kołowych akce­le­ra­to­rów cząstek ele­men­tar­nych, takich jak Tevatron i Wielki Zderzacz Hadronów. Nato­miast w 1931 roku, uczony zaini­cjo­wał budowę nowo­cze­snego Berkeley National Labo­ra­tory, gdzie praktykę roz­po­czął Alvarez.

Ekipa pra­cu­jąca przy pierw­szym akce­le­ra­to­rze w Berkeley. Trzeci od lewej w gar­ni­tu­rze to Ernest Lawrence. U góry w czarnej koszuli widać Luisa Alvareza.

Prosty schemat prze­chwytu elek­tronu przez proton.

Wczesne popisy naszego bohatera w Berkeley Lab, szybko przy­spo­rzyły mu sławy jednego z naj­zdol­niej­szych doświad­czal­ni­ków młodego poko­le­nia. Nim skończył trzy­dziestkę, zdążył wziąć udział już w trzech istot­nych odkry­ciach. Najpierw udało mu się dokonać pio­nier­skiego wyizo­lo­wa­nia trytu, trze­ciego (po procie i deuterze) izotopu wodoru. Niedługo później opu­bli­ko­wał wyniki badań nad K-elek­tro­nem, zgodnie z którymi, elek­trony znaj­du­jące się na naj­bliż­szej jądru ato­mo­wemu powłoce, mogą ulegać prze­chwy­ty­wa­niu przez protony. W wyniku takiej reakcji proton staje się pozba­wio­nym ładunku elek­trycz­nego neu­tro­nem, emitując przy tym neutrino. Tym samym Alvarez eks­pe­ry­men­tal­nie udo­ku­men­to­wał teo­re­tyczne postu­laty for­mu­ło­wane przez Gian-Carlo Wicka i Hide­kiego Yukawę. Wreszcie, wraz z kilka lat starszym Felixem Blochem, prze­pro­wa­dzili pierwszy bez­po­średni i bardzo dokładny pomiar momentu magne­tycz­nego swo­bod­nego neutronu. A na mar­gi­ne­sie muszę dodać, że uzyskana wtedy wartość sta­no­wiła jedną z pierw­szych poszlak wska­zu­ją­cych na posia­da­nie przez nukleony wewnętrz­nej struk­tury. Było to na dwie dekady przed odkry­ciem, iż każdy proton i neutron, skrywa w swym wnętrzu po trzy kwarki.

Niemałe sukcesy oraz żywe zain­te­re­so­wa­nie pro­mie­nio­wa­niem oraz fizyką atomu, nie mogło w tamtych czasach pozostać nie­do­strze­żone przez Armię. Nauko­wiec w końcu doczekał się wezwania przez ojczyznę i – zapewne reko­men­do­wany przez swojego mentora – został odde­le­go­wany do pracy w leżącym po drugiej stronie kon­ty­nentu Mas­sa­chu­setts Insti­tute of Tech­no­logy. Reno­mo­wana placówka otrzy­mała stra­te­giczne zadanie opra­co­wa­nia nowych systemów rada­ro­wych. Alvarez, mimo braku doświad­cze­nia, objął kie­row­nic­two nad Spe­cjalną Grupą Pro­jek­tową i w stu pro­cen­tach usa­tys­fak­cjo­no­wał woj­sko­wych. Jego zespół zre­ali­zo­wał nowa­tor­ski radarowy system bombowy Eagle, z którego z powo­dze­niem korzy­stały m.in. legen­darne Super­for­tece B-29 oraz B-24 Libe­ra­tor. Do tego dorzucił GCA (Ground-con­trol­led approach), czyli radarowy system ste­ro­wa­nia, umoż­li­wia­jący lądo­wa­nie nawet przy zerowej widocz­no­ści. Oba wyna­lazki natych­miast znalazły zasto­so­wa­nie w lot­nic­twie oraz mary­narce, zarówno USA jak i Wielkiej Brytanii, znacznie zwięk­sza­jąc zdolność ope­ra­cyjną aliantów.

Wśród niszczycieli światów

Alvarez (z prawej) trzy­ma­jący plu­to­nowy rdzeń Fat Mana.

Zachwy­ceni dowódcy ani myśleli, aby zwolnić uzdol­nio­nego eks­pe­ry­men­ta­tora do domu. Po krótkim pobycie w Chicago, Alvarez znalazł w swojej skrzynce pocz­to­wej tajem­ni­czy list, zachę­ca­jący do wzięcia udziału w wielkim rządowym przed­się­wzię­ciu, koor­dy­no­wa­nym przez Roberta Oppen­he­imera w Nowym Meksyku. Samot­ność mu nie groziła. Podobne zapro­sze­nia trafiły do kil­ku­dzie­się­ciu zna­mie­ni­tych pra­cow­ni­ków nauko­wych z całego kraju, w tym do star­szych kolegów Alvareza z Barkeley: Arthura Comptona, Felixa Blocha i oczy­wi­ście Ernesta Lawrence’a.

Do tajnego labo­ra­to­rium Los Alamos fizyk przybył już pod koniec wojny, ale mimo to miał pełne ręce roboty. Od razu rzucono go do pracy w kilku zespo­łach. Przede wszyst­kim, z uwagi na niedawne sukcesy w pro­jek­to­wa­niu systemów rada­ro­wych, liczono na jego usługi w Pro­jek­cie Alberta. Stanowił on element wykoń­cze­niowy Projektu Man­hat­tan, skon­cen­tro­wany na kwestii trans­portu oraz deto­na­cji nowej super­broni na terenie wroga. Poza tym Alvarez zaan­ga­żo­wał się w bez­po­śred­nie prace nad mecha­ni­zmem eks­plo­zji pierw­szej bomby plu­to­no­wej Fat Man (zrzu­co­nej później na Nagasaki), jak również w obmy­śle­nie sposobu wykry­wa­nia wybuchów jądro­wych. Ostatnie z tych zadań sta­no­wiło wyraz stale tlącej się obawy, że III Rzesza również prowadzi badania nad bronią masowej zagłady i być może dokonała już własnych testów nukle­ar­nych.

Któż mógł podjąć to wyzwanie jeśli nie spe­cja­li­zu­jący się w bada­niach nad radiacją Alvarez? I rze­czy­wi­ście, roz­wią­za­nie nie sprawiło mu więk­szych kłopotów. Zdawał sobie sprawę, że nie­kon­tro­lo­wa­nia reakcja łań­cu­chowa powinna wiązać się z emisją rzadkich, radio­ak­tyw­nych izotopów, jak ksenon-133 (obecnie sto­so­wany w medy­cy­nie, m.in. do obra­zo­wa­nia płuc i mózgu). Jako, że uczony, za młodu zajmował się analizą pro­mie­nio­wa­nia kosmicz­nego, dokład­nie wiedział jak badać atmos­ferę pod tym kątem. Jego metoda – co do zasady sto­so­wana do dnia dzi­siej­szego – pozwo­liła na szybkie usta­le­nie, że Niemcy nie prowadzą programu jądro­wego lub są bardzo daleko w tyle za Ame­ry­ka­nami.

Jak wiadomo, zdobycie tej wiedzy, nie powstrzy­mało pre­zy­denta Trumana przed wyra­że­niem zgody na prze­pro­wa­dze­nie nukle­ar­nej egze­ku­cji na Japonii. W sierpniu 1945 roku Hiro­szimę spu­sto­szył Little Boy, a kilka dni później na Nagasaki spadł Fat Man. Luis Alvarez miał nie­po­wta­rzalną okazję oso­bi­ście uczest­ni­czyć w pierw­szym z nisz­czy­ciel­skich spek­ta­kli. Nie jest to powszech­nie znany fakt, ale obu bom­bow­com B-29 niosącym śmier­cio­no­śne ładunki – Enola Gay oraz Bockscar – towa­rzy­szył samolot obser­wa­cyjny The Great Artiste. W składzie załogi podczas nalotu na Hiro­szimę znalazł się Alvarez, mający za zadanie dokonać pomiaru pro­mie­nio­wa­nia. Z tego co wiemy z jego listów oraz póź­niej­szych wypo­wie­dzi, podobnie do Oppen­he­imera, bardzo żałował skutków swojej pracy w Los Alamos.

Powrót do cywilnej fizyki

Nawet jeśli wielu naukow­ców odczu­wało wstyd za swój udział w Pro­jek­cie Man­hat­tan, nie mogli zane­go­wać, że wspólny wysiłek, stanowił jedyne w swoim rodzaju forum do wymiany myśli oraz wza­jem­nej inspi­ra­cji naj­tęż­szych umysłów. Nie­przy­pad­kowo na okres powo­jenny przypadł naj­więk­szy rozkwit fizyki cząstek ele­men­tar­nych, której urokom nie oparł się również nasz bohater.

Naj­mod­niej­szymi urzą­dze­niami badaw­czymi były w tym czasie, dziś już niemal nie­uży­wane, komory pęche­rzy­kowe. Zazwy­czaj przy­bie­rały kształt cylin­drycz­nych lub kuli­stych zbior­ni­ków wypeł­nio­nych ciekłym eterem (chodzi o eter etylowy, nie o hipo­te­tyczny eter mający wypeł­niać całą prze­strzeń). Płyn zostaje dopro­wa­dzony do stanu prze­grza­nia, tak aby nie wrzał mimo posia­da­nia odpo­wied­niej ku temu tem­pe­ra­tury. Wystar­czy jednak drobne zanie­czysz­cze­nie, choćby nała­do­wana cząstka ele­men­tarna, aby zaburzyć rów­no­wagę cieczy i wytrącić na trasie swego przelotu, wyraźny sznur pęche­rzy­ków. Widać to dobrze na poniż­szym nagraniu, przed­sta­wia­ją­cym komorę pęche­rzy­kową w CERN, skon­stru­owaną spe­cjal­nie dla pokazów. 


Pierwsza komora była dziełem Donalda Glasera, ale pomysł nie­chyb­nie przejął, spo­pu­la­ry­zo­wał i znacznie rozwinął (m.in. poprzez zamianę eteru na ciekły wodór) Luis Alvarez. Zdawał on sobie sprawę, iż wyna­la­zek po dodaniu doń odpo­wied­niego systemu reje­stra­cji zdarzeń, stworzy całkiem nowe moż­li­wo­ści obser­wa­cji mikro­świata. W rzeczy samej, wydziały fizyki wkrótce zalały tysiące foto­gra­fii uwiecz­nia­ją­cych ślady inte­rak­cji między cząst­kami. Można powie­dzieć, że za sprawą Glasera i Alvareza nastą­piło pierwsze – przed roz­po­wszech­nie­niem potęż­nych akce­le­ra­to­rów – wielkie “bum” fizyki małych obiektów. Skla­sy­fi­ko­wano wiele nowych cząstek, na czele z rezo­nan­sami: typem czy też stanem hadronów, o czasie życia krótszym od try­liar­do­wej części sekundy. W pod­ręcz­ni­kach zaroiło się od nowych nazw: mezonów rho, barionów delta, barionów ksi etc. Komora pęche­rzy­kowa okazała się na tyle istotnym wyna­laz­kiem, że docze­kała się podwój­nego doce­nie­nia przez komisję noblow­ską. Najpierw nagro­dzono Donalda Glasera, a osiem lat później – ofi­cjal­nie za rozwój wodo­ro­wych komór pęche­rzy­ko­wych i odkrycie dużej liczby stanów rezo­nan­so­wych – Nobel trafił w ręce Alvareza, koro­nu­jąc jego bogatą karierę jako fizyka. 

Kto lepiej zbiera znaczki?

Nieco mniej udane było w tym czasie życie osobiste naukowca. Jeszcze zanim został noblistą, rozstał się ze swoją pierwszą wielką miłością, Geral­dine, która urodziła mu dwójkę dzieci. Jednak mimo rozwodu i zało­że­nia nowej rodziny, Luisowi udało się utrzymać ciepłe stosunki z potom­stwem, zwłasz­cza z synem Walterem. Pier­wo­rodny wkrótce roz­po­czął własną przygodę w Berkeley, choć nie poszedł w ślady ojca i zamiast fizyki zafa­scy­no­wał się naukami o Ziemi. 

Pro­wa­dząc wyko­pa­li­ska we włoskim Gubbio, Walter wraz z innymi geo­lo­gami, starał się ulepszyć dotych­cza­sowe metody badań oparte o pomiary grubości poszcze­gól­nych warstw skalnych. Problem polegał na tym, że w pewnych sytu­acjach gruba warstwa mate­riału wcale nie musi świad­czyć o długim czasie osa­dza­nia, tak jak cienka warstwa nie zawsze świadczy o osa­dza­niu szybkim. Jak zwięk­szyć precyzję obliczeń? Jak upewnić się, że grubość warstw nie stanowi jedynie złu­dze­nia pro­wa­dzą­cego do błędnych wniosków? Walter Alvarez – być może podczas zwykłego nie­dziel­nego obiadu – przed­sta­wił te wąt­pli­wo­ści swojemu ojcu. Luis szybko wpadł na roz­wią­za­nie, widząc analogię do pro­ble­mów, z jakimi sam się zmagał badając w prze­szło­ści pro­mie­nio­wa­nie kosmiczne oraz poszu­ku­jąc śladów eks­plo­zji jądro­wych. Wystar­czyło uciec się do dawnych doświad­czeń. W czasie wojny Alvarez polował na radio­ak­tywny izotop ksenonu-133, teraz pro­po­no­wał aby skupić się na pomia­rach obec­no­ści irydu. Ten nie­zwy­kle rzadki metal jest obecny w skorupie ziem­skiej w stężeniu 0,001 ppm – co oznacza, że na miliard prze­ba­da­nych atomów, najwyżej jeden to atom irydu. Ale dlaczego akurat w irydzie pokła­dano takie nadzieje? Ponieważ pier­wia­stek ten trafia na Ziemię z prze­strzeni kosmicz­nej, jako element pyłu nie­ustan­nie i rów­no­mier­nie wpa­da­ją­cego do atmos­fery. Usta­le­nie prze­cięt­nego tempa opadania i gro­ma­dze­nia się irydu, stanowi zatem rewe­la­cyjny punkt orien­ta­cyjny przy sza­co­wa­niu jak długo trwała aku­mu­la­cja danego osadu.

Luis Alvarez z synem Walterem w Gubbio we Włoszech.
Noblista nie poprze­stał na dobrej radzie. Jako wytrawny eks­pe­ry­men­ta­tor oso­bi­ście skon­stru­ował detektor irydu i na dobre włączył się do badań. Niebawem przy­stą­pił do analizy próbek dostar­czo­nych mu z Europy. Pocho­dziły one z miejsca, gdzie dwie, liczące setki metrów grubości warstwy skalne, prze­dzie­lała śmiesz­nie cienka, zaledwie kil­ku­cen­ty­me­trowa linia iłów. Po prze­pro­wa­dze­niu badania, Luis i Walter natych­miast prze­ko­nali się, że mieli rację nie ufając samej tylko grubości skał. Okazało się, iż chuda war­stewka (zwana granicą K-Pg) zawie­rała aż trzy­dzie­sto­krot­nie więcej atomów irydu od skał leżących poniżej jak i powyżej. Oczy­wi­ście dla popraw­no­ści, testy prze­pro­wa­dzono również dla próbek pocho­dzą­cych z różnych miejsc na Ziemi. Wszędzie uzyskano podobne, czasem nawet jeszcze obfitsze wyniki.

Coś w tym wszyst­kim nie dawało Alva­re­zom spokoju. Zde­cy­do­wali się na pomiary irydu aby nie wyciągać zbyt szybkich wniosków, w oparciu o naj­prost­sze prze­słanki. Teraz, znając stężenie rzad­kiego pier­wiastka w poszcze­gól­nych war­stwach, powinni założyć, że iły o cen­ty­me­tro­wej grubości odkła­dały się długie dzie­siątki lub setki milionów lat. Czy aby znów nie wpadli w pułapkę pochop­nych kon­klu­zji? Teza o mate­riale skalnym aku­mu­lo­wa­nym dzie­siątki razy wolniej niż prze­ciętna, brzmiała nie­re­al­nie. W związku z tym badacze zde­cy­do­wali się wysunąć zupełnie inną, dość szo­ku­jącą hipotezę. Zgodnie z nią, granica K-Pg ufor­mo­wała się szybko, a nadwyżka irydu przybyła z kosmosu nagle, świad­cząc o jakimś bardzo burz­li­wym wyda­rze­niu.

Strzałka wskazuje na cienką warstwę, zawie­ra­jącą zwięk­szone stężenie irydu.
W 1980 roku Science opu­bli­ko­wało prze­ło­mowy artykuł Poza­ziem­ska przy­czyna wymie­ra­nia między Kredą a Trze­cio­rzę­dem, pod­pi­sany przez Luisa i Waltera Alva­re­zów, Franka Asaro i Helen Michel. Nie była ciepło przyjęta, zwłasz­cza przez śro­do­wi­ska geologów i pale­on­to­lo­gów, uwa­ża­jące za potwarz fakt, iż jedno z naj­gło­śniej­szych odkryć z ich dziedzin, przy­pa­dło de facto ama­to­rowi. Zwłasz­cza takiemu, który pod­kre­ślał swój dystans do nauk o Ziemi, odpo­wia­da­jąc opo­nen­tom: “Czuję się dumny z bycia fizykiem. Fizyk reaguje natych­miast, gdy tylko ktoś przed­stawi mu argu­menty pod­wa­ża­jące teorię, w którą dotych­czas wierzył”. Tak czy inaczej, teza broniła się sama, zwłasz­cza za sprawą nie­sły­cha­nie pre­cy­zyj­nych prze­wi­dy­wań popar­tych licznymi obli­cze­niami. Autorzy przed­sta­wili dokładne warunki, wedle których ciało nie­bie­skie o masie 34 miliar­dów ton uderzyło 66 milionów lat temu w Ziemię z energią ponad 100 milionów megaton, wybi­ja­jąc krater o średnicy około 150 kilo­me­trów. Taki impakt powinien wyrzucić w atmos­ferę odpo­wied­nią ilość pyłu, który opadając przez kolejne kilka lat, ufor­mo­wał granicę K-Pg. Choć to nie było głównym tematem pracy, uczeni mogli pokusić się o ostrożny wniosek – oparty o obser­wa­cje erupcji wul­ka­nicz­nych, jak słynny wybuch Krakatau z 1883 roku – że taka kata­strofa mogła na tyle sku­tecz­nie zasłonić niebo, aby urwać łańcuch pokar­mowy u samej podstawy. To wystar­czy­łoby do wymarcia więk­szo­ści gatunków, włą­cza­jąc w to wielkie gady.

Fizyk i piramidy

Kon­cep­cja impak­towa do dziś posiada prze­ciw­ni­ków, ale i tak zdobyła szerokie uznanie, naj­le­piej tłu­ma­cząc znik­nię­cie dino­zau­rów. Jej archi­tekt zmarł po walce z nowo­two­rem w 1988 roku, pozo­sta­wia­jąc po sobie godną pozaz­drosz­cze­nia spu­ści­znę. Mimo to, nazwisko Alvareza pozo­staje w cieniu innych gigantów dwu­dzie­sto­wiecz­nej nauki. Być może to kwestia uwiel­bie­nia i prestiżu jakimi zwy­kli­śmy obdarzać teo­re­ty­ków? Sądzę, że tym bardziej warto znać typowego doświad­czal­nika, który pasją, suk­ce­sami i zakresem zain­te­re­so­wań nie ustę­po­wał w niczym Bohrowi, Schrödin­ge­rowi czy Feyn­ma­nowi.

Na zakoń­cze­nie jeszcze cie­ka­wostka. W ubiegłym roku na łamach Nature, pojawiła się zaska­ku­jąca publi­ka­cja doty­cząca Piramidy Cheopsa. Naukowcy moni­to­ru­jąc prze­cho­dzące przez sta­ro­żytną budowlę miony – cząstki obecne w pro­mie­nio­wa­niu kosmicz­nym – odna­leźli ślad kolejnej komory, mającej aż 30 metrów długości. Jako, że na nowe pomiesz­cze­nie w Wielkiej Pira­mi­dzie nie tra­fi­li­śmy od dekad, odkrycie słusznie narobiło nieco szumu. Jedyne czego mi bra­ko­wało w prze­ka­zach medial­nych to wzmianka, że pomy­sło­dawcą “nowa­tor­skiej” bez­in­wa­zyj­nej metody prze­świe­tla­nia piramid był Luis Alvarez, który zapro­po­no­wał użycie pro­mie­nio­wa­nia kosmicz­nego w… 1967 roku.